Φυσικές διεργασίες παραγωγής λεπτών υμενίων και στρωματικών υλικών Όνομα φοιτητή : Πάσχος Θεόδωρος Υπεύθυνη καθηγήτρια:κ.Παπαδημητρίου

Λεπτά υμένια (γενικά) Η τεχνολογία λεπτών υμενίων δημιουργήθηκε από την ανάγκη για νέα,προηγμένα υλικά και συστήματα με νέες ιδιότητες και συμπεριφορά Διαφορετικές ιδιότητες από τα στερεά Η ποιότητα γενικά των υμενίων εξαρτάται κυρίως από τους εξής παράγοντες: 1.Φυσική κατάσταση της επιφάνειας 2.Eλαχιστοποίηση της ενέργειας της επιφάνειας 3.Ενέργεια σύνδεσης ατόμου και υποστρώματος

Εφαρμογές λεπτών υμενίων Μεταλλουργία (προστασία από φαινόμενα διάβρωσης) Μικροηλεκτρονική Βιοϊατρική (βιοσυμβατές, αντι-μικροβιακές επικαλύψεις) Οπτική (ανακλαστικές και αντι-ανακλαστικές επικαλύψεις, απορροφητικές επικαλύψεις κτλ.) Φωτοβολταϊκά Βιομηχανία τροφίμων (συσκευασία) Διακοσμητική

Σύγχρονες συσκευές παραγωγής λεπτών υμενίων

Μέθοδοι παρασκευής λεπτών υμενίων Μέθοδοι παρασκευής λεπτών υμενίων Συμβατικές τεχνικές εναπόθεσης: Εξάχνωση (PVD,CVD,EBE,IBE,LPD) Ηλεκτροεναπόθεση (ECD) Ψεκασμός πλάσματος(plasma spraying) Επιταξιακές τεχνικές εναπόθεσης: Επιταξία μοριακής δέσμης (ΜΒΕ) Επιταξία μεταλλοργανικών ατμών (MOVPE)

Συμβατικές τεχνικές PVD Υπάρχουν τρεις φυσικές διαδικασίες εναπόθεσης ατμού: Θερμική εξάχνωση Ιοντική εναπόθεση Επιμετάλλωση Κοινά χαρακτηριστικά των τριών μεθόδων: Το υλικό από το οποίο θα προκύψει το λεπτό υμένιο βρίσκεται σε στερεά κατάσταση στο κενό Εξάχνωση του υλικού Χαμηλή πίεση ατμών κατά την εναπόθεση

Συμβατικές τεχνικές Παραλλαγές της βασικής τεχνολογίας απόθεσης ατμού Συμβατικές τεχνικές Παραλλαγές της βασικής τεχνολογίας απόθεσης ατμού Επιλογή ενός στόχου(thin films,coatings) Επιλογή διαφορετικών στόχων(multilayered structures) Επιλογή φέροντος αερίου(carrier gas)

Συμβατικές τεχνικές θερμική εξάχνωση Συμβατικές τεχνικές θερμική εξάχνωση Κατευθυντήρια δύναμη είναι η θερμότητα Εξάχνωση ινών

Συμβατικές τεχνικές Ιοντική εναπόθεση Συμβατικές τεχνικές Ιοντική εναπόθεση

Συμβατικές τεχνικές Επιμετάλλωση (ion plating) Πηγή ιόντων Κινητική ενέργεια των ιόντων

Επιταξιακές τεχνικές Παράδειγμα EΒΕ Work-accelerated gun Self-accelerated gun Συμπέρασμα: Οι επιταξιακές είναι ελεγχόμενες διαδικασίες

Επιταξιακές τεχνικές Τρόποι ανάπτυξης (Growth modes) Growth process Growth parameters Layer thickness Strained layers

Επιταξιακές τεχνικές Ποια μέθοδος επιλέγεται; Επιταξιακές τεχνικές Ποια μέθοδος επιλέγεται; Εξαρτάται από θερμοδυναμικούς παράγοντες Φυσική Επιφανειών δ=-σβ + σα + σι Όπου: σβ = ενέργεια επιφάνειας υποστρώματος σα = ενέργεια επιφάνειας επιστρώματος σι=ενέργεια διεπιφάνειας Για δ<0 2-D ανάπτυξη Για δ>=0 3-D ανάπτυξη σα> σβ Volmer-Weber σα< σβ Frank van der Merve Stranski - Krastanov

Επιταξιακές τεχνικές Παραδείγματα Επιταξιακές τεχνικές Παραδείγματα Ανάπτυξη σε υπόστρωμα πυριτίου Ανάπτυξη VW (κατά νησίδες) Ανάπτυξη με διακλάδωση Συμπαγής ανάπτυξη

Επιταξιακές τεχνικές ZnSe /(Zn,Cd)Se Βέλτιστη επίστρωση με επιλογή κατάλληλου υποστρώματος Συμβατότητα υποστρώματος-επιστρώματος: ίδια κρυσταλλική δομή, ίδια σταθερά πλέγματος, ίδιες ηλεκτρονικές, θερμικές και μηχανικές ιδιότητες Εναλλακτική λύση είναι το GaAs ως υπόστρωμα

Επιταξιακές τεχνικές Ιδιότητες των ZeSe και GaAs

Επιταξιακές τεχνικές ZnSe /(Zn,Cd)Se Αρχικό κενό (10^-12 mbar) Βέλτιστη επίστρωση με επιλογή κατάλληλων συνθηκών ανάπτυξης Αρχικό κενό (10^-12 mbar) Θερμοκρασία υποστρώματος / επιστρώματος(310 °C) Γωνία πρόσπτωσης των ατόμων

Μέθοδοι ελέγχου ποιότητας λεπτών υμενίων Μέθοδοι ελέγχου ποιότητας λεπτών υμενίων Δομικός χαρακτηρισμός (ΧRD,SEM) Οπτικός χαρακτηρισμός (Raman/IR, PR/PL, Ellipsometry) Ηλεκτρικός χαρακτηρισμός (I-V,C-V,Hall condactivity) Μέτρηση πάχους (crystal monitor detector,ellipsometry)

ΕΒΕ Εργαστήριο Παρασκευής Υλικών Τομέα Φυσικής ΕΜΠ

Βιβλιογραφία Handbook of deposition technologies for films and coatings(Rointan F. Bunshah) Handbook of chemical vapor depositon(Hugh O. Pierson) Thermal analysis of materials(Robert F.Speyer) Science and engineering of materials (Donald R. Askeland) The dynamics of thin film growth:A modeling study (M.A. Gallivan, R.M. Murray, D.G. Goodwin) Internet(Wikipedia)